ESP32 UWB室內(nèi)定位測(cè)試開源項(xiàng)目

描述

我們做了一個(gè) ESP32 UWB 室內(nèi)定位測(cè)試，使用 2 個(gè) UWB 錨點(diǎn)和 1 個(gè) UWB 標(biāo)簽，當(dāng)標(biāo)簽移動(dòng)時(shí)，UWB 標(biāo)簽的實(shí)時(shí)位置可以圖形顯示在 PC 上。

補(bǔ)給品

● ESP32 超寬帶 *3

● 移動(dòng)電源

● 5v電源*2

第 1 步：概述

1.1 介紹

DW1000 是世界上第一款基于超寬帶技術(shù)的單芯片無線收發(fā)器。它為實(shí)時(shí)定位和室內(nèi)定位系統(tǒng)、基于位置的服務(wù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供了一種新方法。它能夠開發(fā)具有成本效益的 RTLS 解決方案，其室內(nèi)和室外定位精確到 10 厘米以內(nèi)。

Makerfabs ESP32 UWB基于 ESP32 和 DW1000 解決方案，它就像一個(gè)連續(xù)掃描雷達(dá)，精確鎖定另一個(gè)設(shè)備并與之通信，從而計(jì)算自己的位置，配合 ESP32 WiFi/藍(lán)牙，它可能是無線解決方案室內(nèi)定位。

1.2 關(guān)于超寬帶

超寬帶是一種在寬帶寬（>500 MHz）上傳輸信息的技術(shù)。這允許傳輸大量的信號(hào)能量，而不會(huì)干擾相同頻帶中的傳統(tǒng)窄帶和載波傳輸。許多國(guó)家/地區(qū)的監(jiān)管限制允許有效使用無線電帶寬，并實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò) (PAN) 無線連接、遠(yuǎn)程低數(shù)據(jù)速率應(yīng)用以及雷達(dá)和成像系統(tǒng)，與現(xiàn)有的透明共存通訊系統(tǒng)。

傳統(tǒng)無線電傳輸和 UWB 之間的顯著區(qū)別在于，傳統(tǒng)系統(tǒng)通過改變正弦波的功率水平、頻率和/或相位來傳輸信息。UWB 傳輸通過在特定時(shí)間間隔產(chǎn)生無線電能量并占用大帶寬來傳輸信息，從而實(shí)現(xiàn)脈沖位置或時(shí)間調(diào)制。通過編碼脈沖的極性、其幅度和/或通過使用正交脈沖，也可以在 UWB 信號(hào)（脈沖）上調(diào)制信息。UWB 脈沖可以以相對(duì)較低的脈沖速率偶爾發(fā)送以支持時(shí)間或位置調(diào)制，但也可以以高達(dá) UWB 脈沖帶寬的倒數(shù)的速率發(fā)送。Pulse-UWB 系統(tǒng)已在超過 1 的通道脈沖速率下得到證明。

1.3 超寬帶測(cè)距

UWB 無線電系統(tǒng)可用于確定各種頻率下傳輸?shù)摹帮w行時(shí)間”。當(dāng)然，“飛行”的速度與光速一樣，所以核心問題是如何查看“飛行”的時(shí)間，從而計(jì)算出距離。

距離 = 光速 * Tprot

對(duì)于最基本的系統(tǒng)，至少有2項(xiàng)：Device_A（稱為A）和Device_B（稱為B）， ?主要有2種測(cè)量方式：

• 單面雙向測(cè)距
• 雙面雙向測(cè)距

1.3.1 單面雙向測(cè)距

這是最基本的測(cè)量方法：

?

首先A發(fā)送消息(TX)并記錄時(shí)間標(biāo)記，B收到消息，記錄時(shí)間標(biāo)記，延遲(Treplay)后，B發(fā)送消息(TX)并記錄時(shí)間標(biāo)記時(shí)間標(biāo)記，最后A收到消息，并有時(shí)間標(biāo)記的記錄。

然后是飛行時(shí)間：

由于 Tround 和 Treply 存儲(chǔ)在同一個(gè)設(shè)備上，所以時(shí)間誤差偏移；當(dāng)然，A(eA) 和 B(eB) 之間存在誤差，誤差是：

也就是說，誤差與 Treply 是線性的。所以這種方式并不普及，只適用于很短距離的測(cè)量。

1.3.2 雙面雙向測(cè)距

“單面雙向測(cè)距”后，如果 A 再次反饋給 B，則為：

這種測(cè)量我們稱為?3 消息模式。

在“單邊雙向測(cè)距”之后，如果 B 再次發(fā)起另一條消息和 A 反饋，則為：

這種測(cè)量我們稱為?4 消息模式。

在 3 條消息模式或 4 條消息模式下，飛行時(shí)間計(jì)算如下：

?

第 2 步：使用 ESP32 UWB 進(jìn)行室內(nèi)定位

2.1 查看

在這個(gè)應(yīng)用中，我們使用了 3 個(gè) Makerfabs ESP32 UWB 模塊，2 個(gè)模塊作為 UWB 錨點(diǎn)，1 個(gè)作為 UWB 標(biāo)簽，在房間內(nèi)移動(dòng)。當(dāng)標(biāo)簽獲得其位置時(shí)，它會(huì)將其位置傳輸?shù)皆O(shè)備（PC 瀏覽器、手機(jī)應(yīng)用程序），以顯示實(shí)時(shí)位置。

2.2 平面定向算法

假設(shè)所有三個(gè) UWB 模塊都處于相同的水平高度。UWB可以得到Tag和兩個(gè)anchor的距離，再加上預(yù)先設(shè)置的兩個(gè)anchor的距離，就可以得到一個(gè)三角形三邊的長(zhǎng)度。

兩個(gè)點(diǎn)“AB”分別是兩個(gè)錨點(diǎn)，“C”是標(biāo)簽點(diǎn)。“c”是兩個(gè)anchor的距離，UWB會(huì)得到兩個(gè)長(zhǎng)度“a”和“b”。標(biāo)簽是“b”遠(yuǎn)離點(diǎn)“A”和“a”遠(yuǎn)離點(diǎn)“B”。

現(xiàn)在我們知道了三角形三邊之間的距離，我們可以計(jì)算點(diǎn)“C”的坐標(biāo)。

我使用余弦定律計(jì)算角度“A”的余弦：

我有勾股定理，它給了我角度“A”的正弦：

cos_a = (b * b + c * c - a * a) / (2 * b * c) sin_a = sqrt(1 - cos_a * cos_a)

如果我們將點(diǎn)“A”設(shè)置為坐標(biāo)系的原點(diǎn) (0, 0)，那么我們得到點(diǎn) C (bcosα, bsinα)。

第 3 步：代碼解釋

3.1 圖書館

我們使用?arduino-dw1000庫(kù)。提供基本功能的庫(kù)，可將 Decawave 的 DW1000 芯片/模塊與 Arduino 一起使用（arduino-dw1000 庫(kù)）

請(qǐng)注意根據(jù) Github 修改 DW1000 庫(kù)，否則無法編譯為 ESP32。ESP32 UWB GitHub 上的指南?

***此應(yīng)用程序的完整代碼位于：? Makerfabs GitHub ***

3.2 Device_Anchor

由于系統(tǒng)中有 2 個(gè)錨點(diǎn)，我們需要為這兩個(gè)錨點(diǎn)設(shè)置不同的錨點(diǎn)地址。

#define ANCHOR_ADD "83:17:5B:D5:A9:9A:E2:9C"// modify the address when multiple anchors, such as 83/82.

該庫(kù)默認(rèn)使用隨機(jī)短地址，我們需要將其設(shè)置為使用我們?cè)O(shè)置的靜態(tài)地址。所以我們需要將UWB模塊設(shè)置為Anchor模式，LONGDATA_RANGE_LOWPOWER模式，并關(guān)閉隨機(jī)短地址，通過以下代碼：

DW1000Ranging.startAsAnchor(ANCHOR_ADD,
DW1000.MODE_LONGDATA_RANGE_LOWPOWER, false);

Anchor 代碼位于：? https ://github.com/Makerfabs/Makerfabs-ESP32-UWB/tree/main/example/anchor

3.3 Device_Tag

標(biāo)簽需要讀取兩個(gè)錨點(diǎn)之間的距離，通過UDP協(xié)議發(fā)送給PC。

首先，設(shè)置 WiFi 和目標(biāo) IP 地址（PC）。

在 Windows cmd 中，使用“ipconfig”檢查 PC 本地 IP。

并設(shè)置UWB工作在標(biāo)簽?zāi)Ｊ健?/font>

?

我使用了一個(gè)鏈表來存儲(chǔ)檢測(cè)到的錨點(diǎn)，它非常適合 UWB 的工作方式。鏈表的內(nèi)容被轉(zhuǎn)換成 JSON 格式。

得到的JSON字符串格式如下：

?

最后通過UDP協(xié)議每秒向PC發(fā)送一次數(shù)據(jù)。

?

標(biāo)簽代碼位于：? https ://github.com/Makerfabs/Makerfabs-ESP32-UWB/tree/main/example/IndoorPositioning/udp_uwb_tag

3.4 Python代碼

一個(gè)簡(jiǎn)單的演示，用于計(jì)算標(biāo)簽的位置并以圖形方式顯示它。使用海龜繪制。

一開始想用Matplotlib，但是有點(diǎn)復(fù)雜。Turtle 很簡(jiǎn)單，但提供的功能很簡(jiǎn)陋。我自己添加了一些繪圖功能來快速繪制線條、圓形、矩形等。

?

這是我的位置計(jì)算功能。

?

其實(shí)一開始我是用海倫公式計(jì)算坐標(biāo)的，但是分不清三角形是銳角還是鈍角。

demo的功能是接收通過UDP協(xié)議傳輸?shù)臉?biāo)簽的數(shù)據(jù)，計(jì)算出標(biāo)簽的位置并繪制在屏幕上。

第四步：室內(nèi)定位測(cè)試

在所有 UWB 錨點(diǎn)和標(biāo)簽都編程 OK 后，首先我將兩個(gè) UWB 錨點(diǎn)放在桌子的兩側(cè)。

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并在PC端運(yùn)行Python程序。將 UWB 標(biāo)簽貼到移動(dòng)電源上，等待它連接到房間里的 WiFi。Tag連接PC后，彈出圖形界面。

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移動(dòng)UWB標(biāo)簽，在PC端可以實(shí)時(shí)監(jiān)控標(biāo)簽位置：

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